Plasticité cellulaire en

RhumatologieMH Lafage Proust

-2 Décembre 2007-

-SFR-

LBTO, U INSERM 890

CHU Pôle Locomoteur- Rhumatologie

St-Etienne

IFRESIS

Introduction :Qu’est-ce qu’une cellule

souche?

Une cellule souche a la capacitéunique de:

s’auto-renouveler indéfiniment ou de manière prolongée

produire différentes cellules spécialisées (différenciées)

Introduction :Où trouve-t-on des cellules

souches?

Les cellules souches embryonnaires

Dérivent de la masse interne du blatocyste

(embryon de 4-5 jours)

Pluripotentes: potentiel de produire tous les types cellulaires (> 200 différents types)

Les cellules souches adultes

Dérivent de tissus adultes

L’engagement vers une voie de différenciation était souvent considéré comme un

processus habituellement non réversible unidirectionnel, qui comprend plusieurs

étapes et qui conduit à un phénotype cellulaire « terminal » .

Hiérarchie de progéniteurs qui ont

progressivement des

Potentialités de différenciation de + en +

restreintes

Lignages séparés

Pas de changement possible d’un type

cellulaire à un autre

Introduction: un peu d’histoire….

Introduction: un peu d’histoire….

CS hématopoiétiques C S NerveusesCS intestinales CS Musculaires

CS sanguines Cell NerveusesC intestinales C Musculaires

Cellules Souches de l’adulte : programme génétique intrinsèque déterminé par le tissu

d’origine

Introduction : un peu d’histoire….

- Les CS issues d’un tissu, dédiées à ce tissu et se ≠ dans les limites des types

cellulaires du tissu d’origine

- Capacités de renouvellement limitées

- Résident dans ce tissu

Introduction:

- Eglitis et al, PNAS (1999) des ¢

souches de la moelle peuvent se ≠

en neurones dans le cerveau de

souris adultes

- Bjornson et al, Science (1999)

des cellules souches d’origine

nerveuse peuvent se ≠ en cellules

sanguines (myeloides et

lymphocytes B et T) après injection

dans le sang circulant.

Peterson et al Science

(1999). Des ¢ souches de

la moelle peuvent devenir

des hépatocytes

-Ferrari et al Science (1998)

-Gussoni et al Science (1999

Des cellules de la moelle

peuvent se ≠ en cellules

musculaires

Introduction : Remise en question de

la plasticité des cellules souches adultes

Dans certains cas des chercheurs ontsuspecté des phénomènes de fusioncellulaire qui pourraient être responsablesd’une partie de ces observations.

Mais la fusion cellulaire est un évênementrare qui ne permet sans doute pasd’expliquer toutes les observations de“transdifférenciation”.

Plasticité cellulaire

« Capacité de certaines cellules à se différencier en

types cellulaires dont le phénotype est sans rapport

avec celui des cellules de leur tissu d’origine »

Plasticité

« orthodoxe »

Plasticité

« non orthodoxe »

Eghbali-Fatourechi et coll. NEJM, 2005

Des ostéoprogéniteurs circulants

Les Péricytes sont des cellules

souches qui peuvent devenir des

ostéoblastes.(Doherty et al, 1998, JBMR)

Ostéocalcine

Des cellules « vasculaires », les Péricytes peuvent se

différencier in vitro et in vivo en ostéoblastes

Pittenger et coll. Multilineage Potential of Adult Human Mesenchymal Stem. Cells., Science, 1999

isobutylxanthine

dexamethasone

insuline

indomethacine

Dexamethasone,

-glycerol

phosphate, ascorbate

10% de sérum

Micromasse

TGF 3,

ss sérum

Les cellules stromales adultes de la moelle peuvent se

différencier en différentes lignées, dont les OB

Bennett et al. J Cell Sci 99 (1): 131. (1991)

Des adipocytes de la moelle ont un potentiel ostéo-

génique: caractère non irréversible de la différenciation

Transdifférenciation des ostéoblastes selon les conditions de

culture

1-25(OH)2D3 + GP + Asc Dex + IBMX

Nuttal et al., JBMR 1998

La plasticité cellulaire des ostéoprogéniteurs

Cellule souche

stromale

fibroblaste

adipocyte

MuscleMyo D

La différenciation des cellules stromales dépend de

l’expression de facteurs de transcription spécifiques

à chaque lignage

Chondrocyte

Ostéoblaste

Préostéoblaste

Runx2Osx, DLX5

MSX2, TwistGersbach et coll,

Exp Cell Res,

(2004)

Meunier, P., et coll 1971. Osteoporosis and the replacement of cell populations of the marrow by

adipose tissue. A quantitative study of 84 iliac bone biopsies. Clin. Orthop.80:147–154.

Burkhardt, R., et al. 1987. Changes in trabecular bone, hematopoiesis and bone marrow vessels in

aplastic anemia, primary osteoporosis, and old age: a comparativehistomorphometric study. Bone.

8:157–164.

Rozman, C., et al. 1989. Age-related variations of fat tissue fraction in normal human bone marrow

depend both on size and number of adipocytes: a stereological study. Exp. Hematol. 17:34–37.

Différenciation réciproque entre l’os et la

graisse: effets du vieillissement chez l’homme

Cellule souche stromale

Ostéoblaste

?

Adipocyte

?

?

Plasticité du lignage ostéoblastique: Facteurs

influençant la balance ostéoblaste / adipocyte

Systémiques

Facteurs influençant la balance ostéoblaste /

adipocyte

Locaux = microenvironnement

Cellules: Adipocytes

Pression partielle en Oxygène/ Vaisseaux

Facteurs solubles

Matrice

Contraintes mécaniques

Nerveux (?)

Facteurs de transcription

Systémiques

Facteurs influençant la balance ostéoblaste /

adipocyte

Locaux = microenvironnement

Cellules: Adipocytes / moelle hématop.

Facteurs solubles

Matrice/ Adhérence

Contraintes

Vaisseaux/Pression partielle en Oxygène

Nerveux (?)

Facteurs de transcription

WT

PPAR

La déficience en PPAR induit une masse

osseuse élevée et une adipogénèse diminuée

Akune et coll, JCI 2004, 113

Ai et coll, 2006, Endocrinology

Les agonistes de PPAR induisent une perte

osseuse chez la souris et le rat

Cellules stromales de moelle,

0 effet sur des ob plus matures

Rzonca et coll, Endocrinology 145: 401–406, 2004

…………………………….Et chez l’humain?

Schwartz, Clin Endocrinol Metab. 2006; 91(9): 3349–3354.

- 666 diabétiques 70-79 ans de type II,

- 69 sous TZD , suivi de 4 ans, DMO (corps entier, R et F)

- Perte additionnelle de -1.23% de DMO-R / an

d’utilisation des TZD chez les femmes

- Pas d’effet à la hanche

- A suivre….

FosB: Variations réciproques de l’ostéogenèse

et de l ’adipogenèse

Sabatakos et al., Nat Med 2000

Systémiques

Facteurs influençant la balance

ostéoblaste/adipocyte

Locaux = microenvironnement

Cellules: Adipocytes

Facteurs solubles

Matrice

Contraintes

Pression partielle en Oxygène

Nerveux (?)

Facteurs de transcription

Systémiques:

PTH:- Rickard et coll , Bone. 2006 Dec;39(6):1361-72 :

PTH Intermittente inhibe la différentiation en adipocyte des

cellules stromales de moelle humaine.

Oestrogènes:- In vitro : Okazaki R, et coll, Endocrinology. 2002 : ≠ OB des

BMCs, ≠ adipocyte

- In vivo: Gevers EF, et coll Endocrinology. 2002. : pas d’effet

de l’OVX sur les adipocytes médullaires

GH / IGF1-Gevers EF, et coll Endocrinology. 2002: déficit en GH

adipocytes médullaires, masse osseuse

- Rosen CT et coll. Bone. 2004 ;35(5):1046-58: souris IGF-1

BV/TV, Cultures de MSCs : colonies CFU-F et ALk Phos +

adipocytes dans la moelle

Facteurs influençant la balance ob / adipocyte

Systémiques

Facteurs influençant la balance ostéoblaste /

adipocyte

Locaux = microenvironnement: la niche

Cellules: Adipocytes

Pression partielle en Oxygène

Facteurs solubles

Matrice

Contraintes

Nerveux (?)

Facteurs de transcription

Environnement stable pour

les cellules souches

Ensembles de tissus et de

matrices extra-cellulaires qui

peuvent indéfiniment :

-héberger des cellules souches,

-contrôler

leur auto-renouvellement

et leur production cellulaire

in vivo.

Le concept de niche

Systémiques

Facteurs influençant la balance ostéoblaste /

adipocyte

Locaux = microenvironnement

Cellules: Adipocytes

Pression partielle en Oxygène

Facteurs solubles

Matrice

Contraintes

Nerveux (?)

Facteurs de transcription

Coll type 1 Ostéocalcine

La leptine, synthétisée par les adipocytes, la

différenciation ostéoblastique et l’adipogénèse

Thomas T et coll, Endocrinology.,1999

Nbre de cellules

adipocytaires.

minéralisation

de la matrice

collagénique

V

Systémiques

Facteurs influençant la balance ostéoblaste /

adipocyte

Locaux = microenvironnement

Cellules: Adipocytes

Vaisseaux: Pression partielle en oxygène

Facteurs solubles

Matrice

Contraintes

Nerveux (?)

Facteurs de transcription

La pression partielle d’oxygène: effets de 21j d’hypoxie chronique chez le rat

HYPOCTRL0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

Ad

ipo

cyte

s %

)

**

HYPOCTRL0

1

2

3

4

5

6

7

BF

R(µ

m3/µ

m2/j

)

**

Facteurs influençant la balance ostéoblaste /

adipocyte

J21

J0

Fei J et coll, JCEM sous presse

Systémiques

Facteurs influençant la balance ostéoblaste /

adipocyte

Locaux = microenvironnement

Cellules: Adipocytes

Vaisseaux / Pression partielle en oxygène

Facteurs solubles

Matrice

Contraintes

Nerveux (?)

Facteurs de transcription

Facteurs influençant la balance

ostéoblaste/adipocyte

-BMPs: Bone morphogenetic protéines

-PDGF: Platelet-derived growth factor

-EGF: Epidermal growth factor

- FGF II: basic Fibroblast growth factor,

-TGF : Transforming growth factor-β,

-IGF-1Insulin-like growth factor-1

- Wnts

-

-

Benett et coll .Proc Natl Acad Sci U S A. 2005; 102(9): 3324–3329.

Facteurs influençant la balance ostéoblaste /

adipocyte

Wnt 10b.

Systémiques

Facteurs influençant la balance ostéoblaste /

adipocyte

Locaux = microenvironnement

Cellules: Adipocytes

Vaisseaux / Pression partielle en oxygène

Facteurs solubles

Matrice

Contraintes

Nerveux (?)

Facteurs de transcription

David V, et coll. Mechanical loading down regulates PPAR{gamma}

in bone marrow stromal cells and favours osteoblastogenesis at the

expense of adipogenesis. Endocrinology. 2007 ;

Ahdjoudj S, et coll. Transforming growth factor beta2

inhibits adipocyte differentiation induced by skeletal

unloading in rat bone marrow stroma. JBMR. 2002, 17

J4 J7J4

PP

AR

Les contraintes mécaniques régulent la balance

Ostéblastes / adipocytes in vivo

David V, et al. Mechanical loading down regulates PPAR in bone marrow stromal cells and favours

osteoblastogenesis at the expense of adipogenesis. Endocrinology. 2007

Les contraintes mécaniques régulent la balance

OB/adipocytes ex vivo

0

50

100

150

200

250

300

350

PP

AR

(%

U)

0

50

100

150

200

250

300

350

(% U

)

0

50

100

150

200

250

300

Run

x 2

(% U

)

0

50

100

150

200

250

300Non traité RosiGTZ

Non traité RosiGTZ

Les contraintes mécaniques régulent la balance

OB/adipocytes in vitro

David V, et al. Endocrinology. 2007 Feb 22;

Rôle de la forme cellulaire

1000 cells/cm2

25,000 cells/cm2

Milieu adipogénique Milieu ostéogénique

Mc Beath, Developmental Cell. 6, 483, 2004,

Facteurs influençant la balance

ostéoblaste / adipocyte

La rigidité de la matrice contrôle l’engagement

des cellules souches vers un lignage spécifique

Engler et coll, Cell 126, 677–689, 2006

La rigidité de la matrice contrôle l’engagement

des cellules souches vers un lignage spécifique

Chéri, calme toi

laisse moi t’expliquer !Conclusions

- Plasticité du lignage ostéoblastique est influencée par

de nombreux facteurs dont la manipulation pharma-

cologique et/ ou mécanique devrait nous permettre

d’obtenir des quantités notables d’ostéoblastes

- Les implications thérapeutiques sont très nombreuses:

ingénierie tissulaire, maladies osseuses métaboliques ,

réparation des fractures….

-Meilleure connaissance nécessaire des mécanismes

moléculaires de différenciation, de « homing »…

Etudiants

- Jia Fei

- Valentin David

- Aline Martin

- Céline Faure

- Rhonda Prisby

- Maya Boudiffa

- Mariem Wade

Remerciements

LBTO: L Vico, L Malaval, T Thomas, A

Rattner , C Alexandre, A

Guignandon, MT Linossier, N Laroche, A

Van den Bosche, S Peroche